RELAY PROTEKSI PADA GENERATOR

  I GENERATOR

Bagian hulu dari sistem tenaga listrik adalah generator yang terdapat dipusat listrik dan digerakkan oleh mesin penggerak mula (prime mover). Mesin penggerak dalam pusat listrik berkaitan erat dengan instalasi mekanis dan instalasi listrik dari pusat listrik. Generator sebagai sumber energi listrik dalam sistem perlu diamankan jangan sampai mengalami kerusakan karena kerusakan generator akan sangat menggangu jalannya operasi system tenaga listrik. Oleh karenanya generator sedapat mungkin harus dilindungi terhadap semua gangguan yang dapat merusak generator. Tetapi dilain pihak dari segi selektifitas pengaman sistem diharapkan agar PMT generator tidak mudah trip terhadap gangguan dalam system, karena lepasnya generator dari sistem akan mempersulit jalannya operasi sistem tenaga listrik. PMT generator hanya boleh bekerja apabila ada gangguan yang tepat ada didepan generator, didalam generator atau pada mesin penggerak generator. Juga apabila terjadi kegagalan dari PMT yang ada di depan PMT generator, baru PMT generator boleh bekerja. Mengingat generator merupakan peralatan yang penting dan nilainya juga cukup mahal, maka diusahakan pengaruh gangguan dibatasi sampai sekecil mungkin. Antara lain dengan menditeksi keadaan gangguan secara tepat dan mengisolasikan mesin terhadap sistem yang sehat secara cepat. Gangguan pada generator antara lain dapat disebabkan oleh:

a)      Beban lebih (overload).

b)      Panas lebih (overheating) pada lilitan dan bearing.

c)      Tegangan lebih (overvoltage) dan kecepatan lebih.

d)     Kehilangan medan penguat (loss of field).

e)      Daya balik (motoring).

f)       Arus tidak seimbang (unbalance current) pada stator.

g)      Out of step.

Sebagian besar gangguan di atas perlu dihilangkan dengan cara melepaskan generator terhadap sistem melalui pemutus tenaga utama (main circuit breaker) dan bila memungkinkan melepas pemutus tenaga medan penguat. 

 

Gambar. Bagan Generator dengan Mesin Penggerak dan Medan Penguat

Untuk jenis gangguan tertentu selain cara di atas, mesin penggerak dihentikan beroperasi. Bila terjadi gangguan yang masih pada batas yang diizinkan biasanya sistem hanya memberikan peringatan saja. Menentukan tindakan seperti yang disebutkan di atas harus dilakukan secara cermat dan hati-hati, karena kesalahan dalam menentukan dapat mempengaruhi tingkat pelayanan yang baik.

Klasifikasi Gangguan Pada Generator:

Secara teknis, terdapat beberapa macam gangguan yang mungkin terjadi pada generator pembangkit tenaga listrik. Gangguan pada generator pembangkit tenaga listrik tersebut dapat diklasifikasikan seperti berikut ini :

A.    GANGGUAN LISTRIK/ELECTRICAL FAULT

Jenis gangguan ini adalah gangguan yang timbul dan terjadi pada bagian-bagian listrik dari generator. Gangguan-gangguan tersebut antara lain :

1.      Hubung singkat 3 phasa

Terjadinya arus lebih pada stator yang dimaksud adalah arus lebih yang timbul akibat terjadinya hubungan singkat 3 phasa/3 phase fault. Gangguan ini akan menimbulkan loncatan bunga api dengan suhu yang tinggi yang akan melelehkan belitan dengan resiko terjadinya kebakaran, jika isolasi tidak terbuat dari bahan yang anti api atau nonflammable.

2.      Hubung singkat 2 phasa

Gangguan hubung singkat 2 phasa/unbalance fault lebih berbahaya dibanding gangguan hubung singkat 3 phasa/balance fault, karena disamping akan terjadi kerusakan pada belitan akan timbul pula vibrasi pada kumparan stator. Kerusakan lain yang timbul adalah pada poros/shaft dan kopling turbin akibat adanya momen puntir yang besar.

3.      Stator hubung singkat 1 phasa ke tanah / stator ground fault

Kerusakan akibat gangguan 2 phasa atau antara konduktor kadang-kadang masih dapat diperbaiki dengan menyambung taping atau mengganti sebagian konduktor, tetapi kerusakan laminasi besi (iron lamination) akibat gangguan 1 phasa ke tanah yang menimbulkan bunga api dan merusak isolasi dan inti besi adalah kerusakan serius yang perbaikannya dilakukan secara total. Gangguan jenis ini meskipun kecil harus segera diproteksi.

4.      Rotor hubung tanah / field ground

Pada rotor generator yang belitannya tidak dihubungkan oleh tanah (ungrounded system). Bila salah satu sisi terhubung ke tanah belum menjadikan masalah. Tetapi apabila sisi lainnya terhubung ke tanah, sementara sisi sebelumnya tidak  terselesaikan maka akan terjadi kehilangan arus pada sebagian belitan yang terhubung singkat melalui tanah. Akibatnya terjadi ketidakseimbangan fluksi yang menimbulkan vibrasi yang berlebihan serta kerusakan fatal pada rotor.

5.      Kehilangan medan penguat / Loss of excitation

Hilangnya medan penguat akan membuat putaran mesin naik, dan berfungsi sebagai generator induksi. Kondisi ini akan berakibat pada rotor dan pasak/slot wedges, akibat arus induksi yang bersirkulasi pada rotor. Kehilangan medan penguat dapat dimungkinkan oleh :

a)      Jatuhnya / trip saklar penguat (41AC)

b)      Hubung singkat pada belitan penguat

c)      Kerusakan kontak-kontak sikat arang pada sisi penguat

d)     Kerusakan pada sistem AVR

6.      Tegangan lebih / Over voltage

Tegangan yang berlebihan melampaui batas maksimum yang diijinkan dapat berakibat tembusnya (breakdown) design insulasi yang akhirnya akan menimbulkan hubungan singkat antara belitan. Tegangan lebih dapat dimungkinkan oleh mesin putaran lebih/overspeed atau kerusakan pada pengatur tegangan otomatis/AVR.

B.     GANGGUAN MEKANIS/PANAS (MECHANICAL/THERMAL FAULT)

Jenis gangguan ini adalah gangguan yang timbul atau terjadi akibat adanya gangguan mekanik dan panas pada Generator, antara lain :

1.      Generator berfungsi sebagai motor (motoring)

Motoring adalah peristiwa berubah fungsi generator menjadi motor akibat daya balik (reverse power). Daya balik terjadi disebabkan oleh turunnya daya masukkan dari penggerak utama (prime mover). Dampak kerusakan akibat peristiwa motoring adalah lebih kepada penggerak utama itu sendiri. Pada turbin uap, peristiwa motoring akan mengakibatkan pemanasan lebih pada sudut-sudutnya, kavitasi pada sudut-sudut turbin air, dan ketidak stabilan pada sudut turbin gas.

2.      Pemanasan lebih setempat

Pemanasan lebih setempat pada sebagian stator dapat dimungkinkan oleh :

a)      Kerusakan laminasi

b)      Kendornya bagian-bagian tertentu di dalam generator seperti : pasak-pasak stator (stator wedges). 

3.      Kesalahan paralel

Kesalahan dalam memparalel generator karena syarat-syarat sinkron tidak terpenuhi dapat mengakibatkan kerusakan pada bagian poros dan kopling generator, dan penggerak utamanya karena terjadinya momen puntir. Kemungkinan kerusakan lain yang timbul, kerusakan PMT dan kerusakan pada kumparan stator akibat adanya kenaikan tegangan sesaat.

4.      Gangguan pendingin stator

Gangguan pada media sistem pendingin stator (pendingin dengan media udara, hidrogen, atau air) akan menyebabkan kenaikan suhu belitan stator. Apabila suhu belitan melampaui batas ratingnya akan berakibat kerusakan belitan.

C.    GANGGUAN SISTEM (SYSTEM FAULT)

Generator dapat terganggu akibat adanya gangguan yang dating/terjadi pada sistem. Gangguan-gangguan sistem yang terjadi umumnya adalah :

1.      Frekuensi operasi yang tidak normal (abnormal frequency operation)

Perubahan frekuensi keluar dari batas-batas normal di sistem dapat berakibat ketidakstabilan pada turbin generator. Perubahan frekuensi sistem dapat dimungkinkan oleh tripnya unit-unit pembangkit atau penghantar (transmisi).

2.      Lepas sinkron (Loss of synhcron)

Adanya gangguan di sistem akibat perubahan beban mendadak, switching, hubung singkat dan peristiwa yang cukup besar akan menimbulkan ketidakstabilan sistem. Apabila peristiwa ini cukup lama dan melampaui batas-batas ketidakstabilan generator, generator akan kehilangan kondisi paralel. Keadaan ini akan menghasilkan arus puncak yang tinggi dan penyimpangan frekuensi operasi yang keluar dari seharusnya sehingga akan menyebabkan terjadinya stress pada belitan generator, gaya puntir yang berfluktuasi serta resonansi yang akan merusak turbin generator. Pada kondisi ini generator harus dilepas dari sistem.

3.      Arus beban kumparan yang tidak seimbang (unbalance armature current)

Pembebanan yang tidak seimbang pada sistem/adanya gangguan 1 phasa dan 2 phasa pada sistem yang menyebabkan beban generator tidak seimbang yang akan menimbulkan arus urutan negatif. Arus urutan negatif yang melebihi batas, akan mengiduksikan arus medan yang berfrekuensi rangkap yang arahnya berlawanan dengan putaran rotor akan menyebabkan adanya pemanasan lebih dan kerusakan pada bagian-bagian konstruksi rotor.

D.    SISTEM RELAY PROTEKSI GENERATOR

Relay proteksi utama yang digunakan pada generator yang ada di pembangkit, antara lain adalah :

Penempatan Peralatan Pengaman Elektris pada Generator

o   Differential Relay:

Differential Relay untuk melindungi generator dari gangguan akibat hubung singkat (short circuit) antar fasa-fase atau fase ke tanah. Cara kerja relay differensial adalah dengan cara membandingkan arus pada sisi primer dan sisi sekunder, Dalam kondisi normal jumlah arus yang mengalir melalui peralatan listrik yang diproteksi bersirkulasi melalui loop pada kedua sisi di daerah kerja. Jika terjadi gangguan didalam daerah kerja relay differensial, maka arus dari kedua sisi akan saling menjumlah dan relay akan memberi perintah kepada PMT/CB untuk memutuskan arus.

·        Stator  Earth Fault Relay:

Stator Earth Fault Relay untuk mendeteksi gangguan pentanahan atau grounding pada generator. Ground fault dideteksi dengan mem-biased rangkaian medan dengan tegangan DC, yang menyebabkan akan ada arus mengalir melalui relay jika terjadi gangguan tanah.

·        Rele Tegangan Lebih (Over voltage Relay)

Pada generator yang besar umumnya menggunakan sistem pentanahan netral melalui transformator dengan tahanan di sisi sekunder. Sistem pentanahan ini dimaksudkan untuk mendapatkan nilai impedansi yang tinggi sehingga dapat membatasi arus hubung singkat agar tidak menimbulkan bahaya kerusakan pada belitan dan saat terjadi gangguan hubung singkat stator ke tanah. Arus hubung singkat yang terjadi di sekitar titik netral relatif kecil sehinga sulit untuk dideteksi oleh rele differensial. Dengan dipasang transformator tegangan, arus yang kecil tersebut akan mengalir dan menginduksikan tegangan pada sisi sekunder transformator. Untuk mengatasi hal tersebut digunakan rele pendeteksi tegangan lebih yang dipasang pada sisi sekunder transformator tegangan. egangan yang muncul pada sisi sekunder transformator tegangan akan membuat rele tegangan berada pada kondisi mendeteksi apabila perubahan tegangan melebihi nilai settingnya dan generator akan trip. Rangkaian ini sangat baik karena dapat membatasi aliran arus nol yang mengalir ke dalam generator ketika terjadi hubung singkat fasa ke tanah di sisi tegangan tinggi transformator tegangan. Akan tetapi karena efek kapasitansi pada kedua belitan transformator dapat menyebabkan adanya arus bocor urutan nol yang dapat mengaktifkan rele tegangan lebih di sisi netral generator. Dengan demikian rele tegangan lebih yang dipasang harus mempunyai waktu tunda yang dapat dikoordinasikan dengan rele di luar generator. Adapun penyebab overvoltage adalah sebagai berikut:

Ø  Kegagalan AVR.

Ø  Kesalahan operasi sistem eksitasi.

Ø  Pelepasan beban saaat eksitasi dikontrol secara manual.

Ø  Pemisahan generator dari sistem saat islanding.                    

·         Rele Gangguan Rotor Hubung Tanah (Rotor Earth Fault Relay)
Hubung tanah dalam sirkuit rotor, yaitu hubung singkat antara konduktor rotor dengan badan rotor dimana dapat menimbulkan distorsi medan magnet yang dihasilkan rotor dan selanjutnya dapat menimbulakn getaran (vibrasi) berlebihan dalam generator. Oleh karena itu, hal ini harus dihentikan oleh rele rotor hubung tanah. Karena sirkuit rotor adalah sirkuit arus searah, maka rele rotor hubung tanah pada prinsipnya merupakan rele arus lebih untuk arus searah. Adapun single line diagram rele gangguan rotor hubung tanah adalah sebagai berikut:

Single Line Diagram Rele Gangguan Rotor Hubung Tanah

Pada gambar di atas, ketika tidak ada gangguan maka arus simetri, {Ir = Ia+Ib+Ic =0}, namun ketika terjadi gangguan hubung singkat ke tanah, maka arus menjadi tak simetri {Ir = Ia+Ib+Ic = 3Iao}, sehingga terdapat arus yang mengalir pada rele dan membuat rele mendeteksi gangguan.

·         Rele Kehilangan Medan Penguat Rotor (Lost of Rotor Excitation Relay)

Hilangnya medan penguat pada rotor akan mengakibatkan generator kehilangan sinkronisasi dan berputar di luar kecepatan sinkronnya sehingga generator beroperasi sebagai generator asinkron. Daya reaktif yang diambil dari sistem ini akan dapat melebihi rating generator sehingga menimbulkan overload pada belitan stator dan menimbulkan overheat yang menimbulkan penurunan tegangan generator. Hilangnya medan penguat rotor dapat dideteksi dengan kumparan yang dipasang paralel dengan main exciter dan kumparan rotor generator. Pada kumparan ini akan mengalir arus yang apabila nilainya kurang dari arus setting yang diinginkan, maka akan membuat rele mengeluarkan sinyal alarm atau trip.

·        Rele Arus Lebih (Over current Relay)

Rele ini berfungsi mendeteksi arus lebih yang mengalir dalam kumparan stator generator. Arus yang berlebihan dapat terjadi pada kumparan stator generator atau di dalam kumparan rotor. Arus yang berlebihan pada kumparan stator dapat terjadi karena pembebanan berlebihan terhadap generator. Adapun single line diagram rele arus lebih adalah sebagai berikut :

 

                              Single Line Diagram Rele Arus Lebih

                                    Keterangan, CB = Circuit Breaker

TC = Trip Coil CB

I = Arus yang mengalir pada saluran yang diamankan

CT = Transformator Arus

Ir = Arus yang mengalir pada rele

C = Rele arus lebih

Ip = Arus pick-up dari rele

·        Rele Kehilangan Sinkronisasi (Out of Synchronism Relay)

Peristiwa lepasnya sinkronisasi pada generator yang sedang beroperasi disebabkan oleh generator yang beroperasi melampaui batas stabilnya. Yang dimaksud dengan stabilitas adalah kemampuan sistem untuk kembali bekerja normal setelah mengalami sesuatu seperti perubahan beban, switching, dan gangguan lain. Gangguan tersebut akan berdampak pada tidak sinkron-nya tegangan generator dan sistem. Untuk mengamankan generator yang berkapasitas beban besar terhadap peristiwa ayunan beban dari kondisi tak sinkron digunakan rele lepas sinkron. Rele ini mendeteksi besar impedansi (arus dan tegangan sistem). Apabila kondisi sistem akan memasuki impedansi generator maka rele tersebut akan mengaktifkan rele untuk trip PMT generator. Rele impedansi merupakan backup bagi rele ini.

·        Rele Daya Balik (Reverse Power Relay)

Rele daya balik berfungsi untuk mendeteksi aliran daya balik aktif yang masuk pada generator. Berubahnya aliran daya aktif pada arah generator akan membuat generator menjadi motor, dikenal sebagai peristiwa motoring. Pengaruh ini disebabkan oleh pengaruh rendahnya input daya dari prime mover. Bila daya input ini tidak dapat mengatasi rugi-rugi daya yang ada maka kekurangan daya dapat diperoleh dengan menyerap daya aktif dari jaringan. Selama penguatan masih ada maka aliran daya aktif generator sama halnya dengan saat generator bekerja sebagai motor, sehingga daya aktif masuk ke generator dan daya reaktif dapat masuk atau keluar dari generator.Peristiwa motoring ini dapat juga menimbulkan kerusakan lebih parah pada turbin ketika aliran uap berhenti. Temperatur sudu-sudu akan naik akibat rugi gesekan turbin dengan udara. Untuk itu di dalam turbin gas dan uap dilengkapi sensor aliran dan temperatur yang dapat memberikan pesan pada rele untuk trip. Akan tetapi pada generator juga dipasng rele daya balik yang berfungsi sebagai cadangan bila pengaman di turbin gagal bekerja. Adapun single line diagram rele daya balik adalah sebagai berikut :

Single Line Diagram Rele Daya Balik

Pada gambar tersebut, apabila terjadi gangguan pada F1, maka rele akan men-trip CB2, apabila gangguan terjadi pada F2, maka rele tidak akan men-trip CB2 karena arah aliran arus yng terbalik dari kanan ke kiri.

·        Negative Phase Sequence Relay:

Negative Phase Sequence Relay untuk melindungi generator dari arus lebih urutan fasa negative yang disebabkan oleh beban yang tidak seimbang.

·        Out of Step Relay:

Out of Step Relay untuk melindungi generator dari Power Swing akibat perubahan beban dari sistem transmisi yang dapat menyebabkan operasi generator tidak sinkron.

·        Over excitationV/H z Relay:

Over excitationV/H z Relay untuk melindungi generator dari kejenuhan inti yang dapat menyebabkan kenaikan tegangan.

·        Rele Gangguan Frekuensi (Frequency Fault Relay)

Rele ini berfungsi untuk mendeteksi adanya perubahan frekuensi dalam nilai yang besar secara tiba – tiba. Kisaran frekuensi yang diijinkan adalah ±3% sampai ±7% dari nilai frekuensi nominal. Penurunan frekuensi disebabkan oleh adanya kelebihan permintaan daya aktif di jaringan atau kerusakan regulator frekuensi. Frekuensi yang turun menyebabkan naiknya arus magnetisasi pada generator yang akan menaikkan temperatur. Pada turbin uap, hal tersebut akan mereduksi umur blade pada rotor. Kenaikan frekuensi disebabkan oleh adanya penurunan permintaan daya aktif pada jaringan atau kerusakan regulator frekuensi. Frekuensi yang naik akan menyebabkan turunnya nilai arus magnetisasi pada generator yang akan menyebabkan generator kekurangan medan penguat. Sensor rele frekuensi dipasang pada tiap fasa yang keluar dari generator.

·        Reverse Power Relay:

Reverse Power Relay untuk menditeksi adanya daya balik/aliran arus dari sistem jaringan yang akan menyebabkan generator bekerja sebagai motor.

Klasifikasi Relay Proteksi Generator :

1.      Berdasarkan prinsip kerja :

Ø  Relay Elektromagnetis

Ø  Relay Termis

Ø  Relay Elektronis

Ø  Rele Induksi

Ø  Rele Gulungan Putar

Ø  Rele Elektrodinamik 

yang paling umum digunakan untuk pengaman pada pembangkit tenaga listrik adalah jenis relay dengan prinsip kerja elektromagnet dan induksi.

2.      Berdasarkan konstruksi :

Ø  Tipe Angker Tarikan

Ø  Tipe Batang Seimbang

Ø  Tipe Cakram Induksi

Ø  Tipe Kumparan Bergerak

3.      Berdasarkan besaran yang diukur :

Ø  Relay Tegangan

Ø  Relay Arus

Ø  Relay Impedansi

Ø  Relay Frekuensi

4.      Berdasarkan cara kerja kontrol elemen :

Ø  Direct acting, kontrol elemen bekerja langsung memutuskan aliran

Ø  Indirect acting, kontrol elemen hanya digunakan untuk menutup kontak suatu peralatan lain

5.      Berdasarkan karakteristik :

Ø  Instantaneous

Ø  Definite time delay, relay yang bekerja dengan kelambatan waktu

Ø  Inverse